在加利福尼亚州的洛杉矶港，两艘装满了储罐和管道的驳船为应对气候危机开辟了一个不太可能的新领域。经营这些工厂的初创企业是利用海洋的力量从空气中捕获二氧化碳的日益增长的努力的一部分。
海洋是一个巨大的碳汇，吸收了我们排放到大气中的大约30%的二氧化碳。然而，海洋生物已经为海洋化学的变化付出了可怕的代价。二氧化碳与海水反应形成碳酸，碳酸又解离成碳酸氢盐和氢离子。溶解的二氧化碳越多，带正电的氢离子就越多。这导致酸度增加，进而可以溶解海洋生物的贝壳和骨骼。
从加州理工学院分拆出来的Captura和加州大学洛杉矶分校的Equatic都有大胆的计划，通过从世界海洋中去除二氧化碳并将其隔离来应对气候变化。他们相信，他们的电化学系统最终将以每吨不到100美元(80英镑)的价格去除二氧化碳。美国能源部(Department of Energy)的目标是，到2032年，每吨碳减排费用达到100美元。这一里程碑的实现速度将取决于该技术的扩展速度和可再生能源的未来成本，但Equatic预计到2028年可以实现这一目标。相比之下，在冰岛拥有年产量4000吨的直接空气捕捉工厂的Climeworks预计，到本十年末，它可以将成本降至每吨250至300美元左右。
海洋捕集技术已经吸引了大量投资。在过去的一年里，Captura已经筹集了3300多万美元用于将其技术商业化。投资者包括挪威国有能源巨头挪威国家石油公司(Equinor)，该公司正在挪威西海岸开发一座1000吨的工厂。该工厂将测试完整的端到端操作，并将捕获的二氧化碳注入海底永久储存。Captura的第一家商业工厂计划每年去除5万吨二氧化碳。
Captura的试验工厂利用电化学系统从海水中去除二氧化碳进行封存
这两种技术都是封闭系统，因此可以精确测量捕获的二氧化碳量。这是实现大规模碳去除的关键。一个行业已经在发展，公司提前购买清除设备。例如，波音公司已经与Equatic签署了一项为期五年的协议，购买62,000吨碳去除物和2100吨绿色氢，这些将由该过程产生。有人估计，这笔交易至少价值5000万美元。
按体积计算，海水的二氧化碳含量是空气的150倍，因此从海洋中去除二氧化碳的效率可能更高。但是水更重。Captura的首席执行长史蒂夫?奥尔德姆(Steve Oldham)说:“搬家的成本更高，但成本并没有高出150倍。”
但是抽取海水的能源成本是相当可观的。将每立方米的水泵入海水淡化厂需要大约0.45千瓦时的电力。根据海水的成分，Equatic估计它可以从每立方米水中提取4.6公斤的二氧化碳。这意味着，一个捕获100万吨海水的工厂，仅仅是抽取海水就需要97GWh的可再生能源。未来，可能会有更便宜的方式来移动水，比如利用潮汐或洋流，但目前这个过程仍然是能源密集型的，成本很高。根据Equatic的实验室研究，将一个碳捕获厂和一个海水淡化厂放在一起可以减少两个厂的能源需求，但只能减少9%。
Captura和Equatic都依靠电化学过程来提取二氧化碳。这就是他们的大部分能源成本下降的地方。
Equatic的系统以碳酸盐矿物的形式捕获二氧化碳，并通过电解海水产生清洁的氢气。谈到碳酸盐的形成，加州大学洛杉矶分校碳管理研究所主任、Equatic的联合创始人Gaurav Sant说:“我们只是在模仿海洋的行为。”
电解消耗了Equatic总能源需求的80-90%。“即使你移动了大量的水，电解也是非常耗能的。他补充说，这基本上是一个显而易见的问题。
从最初的实验室系统开始，他们已经将整个过程的总能源需求降低了10%以上，每吨捕获的二氧化碳约为2MWh。为了保持在《巴黎协定》的限制范围内，可能需要消除大约100亿吨的排放，这意味着到2050年，仅通过这条路线就需要2万太瓦时的可再生电力。2022年，美国可再生能源发电量为974TWh。
Equatic的方法的优势在于，它既可以从海水中去除二氧化碳进行封存，同时又可以产生氢气
在方程式的另一边，Equatic的过程也会产生氢。今天的电解槽独立发电需要42 - 65千瓦时/公斤氢气和淡水供应。然而，压缩和运输产生的氢需要能量，除非它被用于燃料电池来为系统供电。
Equatic开发的电极采用薄片的形式，以最大限度地与海水接触，由普通合金和少量铂族金属制成。通常情况下，电解海水会产生氯，但研究人员现在可以抑制氯的形成。“这确实是一个重大突破，”桑特说。“我们在电极工程和电极设计上花费了大量的时间和精力，以使Equatic工艺尽可能地节能，同时也为直接海水电解制氢开辟了整个途径。”
为了捕获二氧化碳，该系统利用了海水中丰富的镁离子和钙离子。它们在阴极与二氧化碳结合，产生碳酸钙和水合碳酸镁，从而捕获海水中的二氧化碳。这些可以连续“刮”掉电极网。然后，空气通过产生的碱性、二氧化碳耗尽的海水流产生气泡，从而从大气中去除更多的二氧化碳。
在阳极，海水的酸性流必须恢复其碱性才能返回大海。这可以通过添加丰富的矿物质，如橄榄石来实现。海岸带的风化作用将矿物质沉积在海洋中，有助于恢复海洋的碱度，但如今海洋吸收二氧化碳的速度超过了这一自然过程所能弥补的速度。其他公司也在寻求添加碱性矿物，但计算由此产生的二氧化碳减少量充满了不确定性。
简单地将矿物碳酸盐送回海洋可以避免任何碳封存的压缩和运输成本。虽然赤道可能“只是”加速了一个自然过程，但没有人知道它能在多大程度上加速而不对生态系统造成不利影响。据估计，深海已经储存了大约37000亿吨的碳。桑特说:“我们的立场是进行非常详细的环境影响评估，以便能够精确地研究正在发生的事情，并在我们进行的过程中获得更多信息。”
另外，碳酸盐矿物可以用于建筑或加固受海平面上升影响的海岸线，尽管从工厂运输它们需要能源。
在Captura的过程中，过滤后的海水不断地在工厂中流动。至关重要的是，为了减少能源消耗，只有0.5%的海水通过电渗析步骤。它首先被软化(去除镁和钙离子)，然后通过一堆带电膜。这些材料目前还处于保密状态，但奥尔德姆表示，它们不含稀土元素。
水分子分解成氢氧根和氢离子。酸性流被添加回流经工厂的主要海水流中，在那里它从pH8.1上升到ph4左右。酸度的变化导致碳酸氢盐离子释放出二氧化碳，二氧化碳通过气液膜接触器和真空泵从水中去除。测试表明捕获率在95%左右。为了进一步提高这一过程的效率，Captura正在与工业界合作开发一种不会从水中去除氧气的膜。
然后，电渗析过程中产生的另一种(碱性)流被添加回水中，以中和酸度，并将pH值恢复到8.1左右。因为从核电站流出的水中的二氧化碳已经被去除，它应该会从大气中吸收更多的二氧化碳——只要它留在海洋表面。究竟有多少会被地表水吸收还有待证实。
Captura的工艺可以与海水淡化厂相结合，以降低成本
然而，电渗析步骤是非常耗能的-吸收大约70%的总过程能量需求。Captura没有公布数据，但是为了减少能源需求和削减成本，它计划过度建造电渗析装置，这样它就可以在非高峰的可再生能源上运行。每天使用6个小时的非高峰电力，就可以产生足够的酸和碱，使这个过程持续24小时。另一个好处是它可以使膜的使用寿命延长四倍。目前商用的膜的使用寿命超过1万小时。
“我们已经非常接近电渗析性能的热力学极限了，”奥尔德姆说，“但我们将继续研究膜的物理尺寸——越大越好，但你必须保持性能。”压缩和运输二氧化碳进行储存将产生额外的能源成本。一项生命周期分析表明，压缩二氧化碳的能量为每吨111kWh，注入井中的能量为每吨7kWh。
最近的一项分析表明，将这些过程与海水淡化相结合，将把二氧化碳的去除潜力限制在每年1000万吨以下。然而，这些工厂位于中东等地区，有可能扩大太阳能的规模。
对于Captura来说，共同选址是一种“进入市场的策略”。在那之后，它将不得不独立扩展这项技术。它希望与挪威国家石油公司的新合作伙伴关系将使它能够利用国有石化公司在海上建造钻井平台等结构方面的经验。
虽然该行业专注于扩大规模，并证明其系统确实有益于海洋健康，但成本问题仍然存在。毫无疑问，这一点很重要。毫无疑问，这是必须要做的。“问题是，我们将如何支付这笔费用?”谁来买单呢?”
Angeli Mehta是一名自由科学作家，拥有研究博士学位
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